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Dynamic behavior of bell tower like structures in earthquake environment
Yousefi, Seyed Mehdi
Wien (Österreich)
Selbstverlag
2008, III,186 S., Abb., Tab., Lit.
Sprache: Englisch
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[Quelle: https://repositum.tuwien.ac.at]
In der vorliegenden Arbeit wird das dynamische Verhalten von Glockenturm-ähnlichen (GT) Tragwerken, die durch verschiedene interne und externe Einwirkungen angeregt werden, untersucht. Die GT-Struktur wird als linear elastischer kontinuierlicher Kragträger mit einem nicht linearen Einzelpendel (Glocke) modelliert. Die Formulierung der Bewegungsgleichungen, basierend auf der dynamischen Gleichgewichtsmethode, als auch die Lagrange' schen Gleichungen sind dabei für lineare und nichtlineare Bedingungen anwendbar. Es werden Parameterstudien der GT-Stukturen für freie und erzwungene Schwingungen gemacht und das dynamische Verhalten, verursacht durch Glocken schwingen und Erdbebenanregung, untersucht. Zuerst wird die GT-Struktur in diskretisierter Form als ein geometrisch nichtlineares Phänomen, entsprechend einem einfachen Pendel kombiniert mit einem linearen Einmassenschwinger, vorgestellt. Eine passende analytische Methode wird beschrieben und die Ergebnisse mit jenen aus numerischen Simulationsrechnungen vergleichen. In der Folge wird der GT als hybrides System untersucht. In diesem Fall wird das starre Pendel an der Spitze des linear elastischen Turms gelagert. Die dazugehörigen Bewegungsgleichungen werden unter Berücksichtigung des nichtlinearen Schwingungsverhaltens des Pendels und des kontinuierlichen Turms, modelliert als diskretes lineares Mehrfreiheitsgrad-System, hergeleitet. Es wird besonders Wert auf die nichtlineare Interaktion zwischen dem dynamisch angeregten Turm und der Bewegung der Glocke, welche sich mechanisch wie ein starres Pendel verhält, gelegt. Die Studie gibt einen neuen Einblick in das komplexe dynamische Verhalten von GT-Stukturen. Es wird auch ein Vergleich des Schwingungsverhaltens von gekoppelten und entkoppelten Systemen angeführt. Die dynamischen Reaktionen auf das Glockenläuten sind typische charakteristische Erscheinungen von den betrachteten Türmen. Das mechanische Verhalten von Turm und Glocke wird unter Berücksichtigung der erzwungenen Glockenschwingung abgeschätzt. Unter der Wirkung eines externen Glocken-Antriebmomentes wird das nichtlineare Pendel in Bezug auf subharmonische und superharmonische Resonanzfrequenzen untersucht. Die nichtstationären Bedingungen des nichtlinearen Pendels werden diskutiert. In den letzten Jahrzehnten wurde eine neue Methode der Schwingungsdämpfung entwickelt, die durch dynamische Pendelabsorber die Schwingungen von GT-Strukturen deutlich reduziert. Ein "Pendulum Tuned Mass Damper" (PTMD) ist eine Einheit bestehend aus einer pendelnd aufgehängten Masse und einem Dämpfer der mit der Struktur verbunden ist um die Schwingungsantwort zu reduzieren. Die erste Eigenfrequenz des Dämpfers ist gezielt auf eine bestimmte Struktureigenfrequenz abgestimmt, so dass bei Anregung dieser Frequenz der Dämpfer durch ein phasenverschobenes Verhalten zur Turmbewegung die Schwingungen reduziert. Die Energie wird durch die Dämpfung und die Trägheitskraft, die auf die Struktur wirkt, dissipiert. Ein einführendes Beispiel eines PTMD und dessen Implementierung in Strukturen wie Schornsteine oder Glockentürme wird gezeigt. Zeitverläufe und Amplitudenfrequenzgänge werden für ein kontinuierliches System mit einem optimal abgestimmten PTMD, welches einer harmonischen oder stochastischen Fußpunkterregung ausgesetzt ist, unter linearen und nichtlinearen Bedingungen untersucht. Ebenso wird die optimale Position des Pendels diskutiert. Die Schwingungsantwort zufolge Erdbebenkräfte bezüglich seismischer Entwurfskriterien wird entsprechend der starken Bodenbewegung des Erdbebenereignisses in Bam (Iran, 2003) simuliert. Ein Kapitel behandelt die dynamische Analyse von GT-Strukturen mittels Teilssystemtechnik. Die durch die Glocke induzierten Schwingungen werden als externe Anregung auf die Hauptkonstruktionen angesetzt um aus der Pendelbewegung die zeitvariablen Kräfte auf den Turm zu ermitteln. Diese werden mit den Kräften aus einer quasi-statischen Analyse verglichen, die dynamischen Schnittgrößen mittels numerischer nichtlinearer Analyse ermittelt. Im letzten Abschnitt wird die Wirkungsweise von aktiv geregelten Pendeldämpfern in turmartige Baukonstruktionen analysiert.
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